含能材料生產(chǎn)車間實(shí)時三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

張軍娜， 張瀚銘， 張弦弦， 劉治紅

（中國兵器裝備集團(tuán)自動化研究所有限公司 智能制造事業(yè)部， 四川 綿陽 621000）

0 引言

制造業(yè)是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。 隨著中國制造2025 的提出，新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，正在引發(fā)影響深遠(yuǎn)的產(chǎn)業(yè)變革。 目前我國含能材料生產(chǎn)過程普遍存在自動化程度低， 數(shù)據(jù)信息無法追溯等問題[1]，缺乏合理的設(shè)備信息集成及顯示監(jiān)控方案， 迫切需要引入先進(jìn)的技術(shù)來提升生產(chǎn)安全性及生產(chǎn)效率。 車間實(shí)時三維可視化監(jiān)控技術(shù)是將現(xiàn)場采集的信息以圖形圖像形式動態(tài)直觀的展示，是提升車間管理透明化的有效手段，可為車間生產(chǎn)提供實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的管控支持。

眾多學(xué)者對車間實(shí)時三維可視化監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行了大量的研究。張穎等[2]在工業(yè)組態(tài)軟件的二維監(jiān)控界面上構(gòu)建了嵌入式的三維可視化虛擬監(jiān)控環(huán)境。 吳峰等[3]對制造可視化的理論基礎(chǔ)、可視化模型和算法等進(jìn)行了研究。 尹超等[4]基于Flexsim 虛擬仿真軟件，構(gòu)建了一種能動態(tài)可視化反映車間生產(chǎn)進(jìn)度的針對多品種小批量機(jī)加車間的三維監(jiān)控系統(tǒng)。 李斌等[5]對基于多源數(shù)據(jù)的復(fù)雜事件感知技術(shù)、 車間可視化場景構(gòu)建及控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)研究，研制了一套電表檢定車間可視化系統(tǒng)。

本文以某含能材料生產(chǎn)車間現(xiàn)場實(shí)時監(jiān)控需求為出發(fā)點(diǎn)，研究一種具有高實(shí)時性、高可視性，能實(shí)時反映車間運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)備故障的具有良好人機(jī)交互性的三維可視化監(jiān)控技術(shù)，最后應(yīng)用于某企業(yè)含能材料生產(chǎn)車間，實(shí)現(xiàn)對車間的三維可視化監(jiān)控。

1 含能材料生產(chǎn)車間監(jiān)控需求

含能材料生產(chǎn)過程具有安全性要求高、物料管控嚴(yán)、質(zhì)量檢測難、現(xiàn)場環(huán)境要求高等特點(diǎn)，車間監(jiān)控系統(tǒng)需要重點(diǎn)解決以下三方面的問題：

（1）數(shù)據(jù)采集信息不完整、不及時且包含錯誤數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)高質(zhì)量采集是可視化監(jiān)控的基礎(chǔ)。 目前底層數(shù)據(jù)的采集存在如下問題：第一，不同廠家、不同型號、不同軟件支持系統(tǒng)的設(shè)備之間信息不兼容；第二，大量車間數(shù)據(jù)仍依賴人工采集和錄入，難免有遺漏或錯誤；第三，部分操作規(guī)范、圖紙等數(shù)據(jù)由于企業(yè)缺乏有效的獲取方案，導(dǎo)致數(shù)據(jù)不完整。

（2）生產(chǎn)車間運(yùn)維管控對象節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)源多，數(shù)據(jù)分析困難[6]。建立車間運(yùn)維管控數(shù)據(jù)處理和協(xié)同作用模型，實(shí)現(xiàn)車間各節(jié)點(diǎn)單元與匯集中心的數(shù)據(jù)融合通信， 是實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控的前提。

（3）現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)與三維虛擬場景的映射與同步顯示。車間可視化監(jiān)控[7]經(jīng)歷了從人工監(jiān)控階段到視頻監(jiān)控階段，再到集成監(jiān)控系統(tǒng)階段。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)開始集成更多功能，電子看板逐漸得到企業(yè)青睞。然而， 電子看板雖然能展現(xiàn)車間各設(shè)備的參數(shù)信息與安全狀態(tài)參數(shù)等， 卻無法讓管理人員直觀感知正在進(jìn)行的生產(chǎn)過程。隨著車間智能化的發(fā)展，企業(yè)需要更為直觀的三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

依據(jù)含能材料生產(chǎn)車間的特點(diǎn)和監(jiān)控需求，本系統(tǒng)通過信息化技術(shù)對車間各運(yùn)維對象的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、 處理、識別、評估、預(yù)測，最終實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)車間的三維實(shí)時監(jiān)控，系統(tǒng)框架圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖

首先，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備和系統(tǒng)的物理連接；其次，針對生產(chǎn)車間上的設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境等異構(gòu)數(shù)據(jù)，采用基于概率傳輸?shù)拇貎?nèi)數(shù)據(jù)融合算法；最后，結(jié)合生產(chǎn)車間海量運(yùn)維數(shù)據(jù)，研究車間狀態(tài)、運(yùn)行風(fēng)險、設(shè)備故障等智能識別技術(shù)，進(jìn)行特征提取與建模，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化三維模型與車間現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的實(shí)時映射。

3 關(guān)鍵功能實(shí)現(xiàn)方案

系統(tǒng)包含三個關(guān)鍵功能：多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合處理、建模與虛實(shí)融合顯示，見圖2。

圖2 系統(tǒng)關(guān)鍵功能

3.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)采集

（1）設(shè)備組網(wǎng)。 以工業(yè)以太網(wǎng)為總線，將不同接口硬件、不同控制系統(tǒng)、不同通訊協(xié)議的運(yùn)維對象接入網(wǎng)絡(luò)，建立車間現(xiàn)場的工控物聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備、設(shè)施、環(huán)境等對象參數(shù)的實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)采集，見圖3。

圖3 生產(chǎn)車間數(shù)據(jù)采集流程

（2）數(shù)據(jù)采集。 設(shè)備作為OPC UA 服務(wù)需要經(jīng)過相關(guān)配置才能夠被客戶端連接，從而獲取數(shù)據(jù)，通過配置OPC UA 服務(wù)器的用戶名、密碼、IP 地址、相關(guān)配置文件等，在采存軟件運(yùn)行時， 通過OPC-FOCAS 獲取控制系統(tǒng)命令來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄各種狀態(tài)值，見圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

將數(shù)據(jù)源分為模擬量檢測信號和開關(guān)量檢測信號。模擬量信號包括溫度、壓力、流量、扭矩、轉(zhuǎn)速等。根據(jù)現(xiàn)場勘察，這些信號都是變送器產(chǎn)生的0～20mA 電流信號，直接連接在顯示表頭上。 將變送器產(chǎn)生的0～20mA 電流信號從顯示儀表上斷開，通過一進(jìn)二出的信號隔離模塊，產(chǎn)生兩路大小相同，互相隔離的兩路0～20mA 電流信號。 其中一路接原顯示儀表，保持原有的儀表顯示功能，另一路接數(shù)采模塊。 開關(guān)量信號包括上下限、鍋到位等信號，其信號對應(yīng)面板上的指示燈。通過現(xiàn)場勘察，這些指示燈都是由直流24V 驅(qū)動。將指示燈信號從指示燈上斷開，通過中間繼電器，驅(qū)動兩組無源觸點(diǎn)。 其中一組無源觸點(diǎn)將24V直流電壓連接到原指示燈，另一組無源觸點(diǎn)將24V 直流電壓接入數(shù)采模塊。

各數(shù)采模塊通過以太網(wǎng)連接到交換機(jī)， 交換機(jī)設(shè)在中控室內(nèi)。中控室配置一臺計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，數(shù)據(jù)采存軟件部署在這臺上位機(jī)上。 數(shù)采軟件是基于.Net 4.6.1 自主研發(fā)創(chuàng)建，基于OPC UA 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行讀數(shù)據(jù)、寫數(shù)據(jù)以及訂閱數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)發(fā)布。 數(shù)據(jù)支持以MQTT 或HTTP 形式對外發(fā)布，可采用單個數(shù)據(jù)點(diǎn)發(fā)布或整體數(shù)據(jù)對外發(fā)布。

（4）數(shù)據(jù)存儲。 數(shù)據(jù)庫備份通過及時為歷史數(shù)據(jù)歸檔，提升系統(tǒng)在線業(yè)務(wù)的相應(yīng)速度； 定期將數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)備份到服務(wù)器硬盤空間中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的備份保護(hù)。

3.2 數(shù)據(jù)融合處理

通過建立制造數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)含能材料生產(chǎn)車間的數(shù)據(jù)管理。數(shù)據(jù)中心由實(shí)時數(shù)據(jù)庫和管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成：實(shí)時數(shù)據(jù)庫存儲生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)等實(shí)時信息；業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫包括車間運(yùn)維對象屬性、模型、基礎(chǔ)參數(shù)等，實(shí)時數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)融合、抽取、處理、裝載等，存入業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理。 由于采集設(shè)備、傳感器安裝環(huán)境的不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程摻雜少量的噪聲數(shù)據(jù)等各方面因素的影響，得到的數(shù)據(jù)會受到一定干擾。為提升數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，除了采用更加科學(xué)的采樣技術(shù)外，還需要采用一些必要的技術(shù)手段對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì)， 數(shù)字濾波是最基本的處理方法。

首先，在采集的傳感器數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對兩者進(jìn)行比對分析，通過相關(guān)判定算法建立預(yù)估模型；其次，基于預(yù)估值和實(shí)際值進(jìn)行分析，套用預(yù)估模型，采用過濾等算法校正感知數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)累積的數(shù)據(jù)， 不斷優(yōu)化預(yù)估模型， 提高感知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)質(zhì)量，見圖5。

圖5 數(shù)據(jù)判定與修正流程

（2）數(shù)據(jù)管理。采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理，按運(yùn)維類型對運(yùn)維對象相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，形成不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。

（3）輸出存儲。 由代理服務(wù)器收集各信息監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時監(jiān)控數(shù)據(jù)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將各系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)定義傳到車間數(shù)據(jù)接收服務(wù)器。數(shù)據(jù)接收服務(wù)器采用串口通信技術(shù)、動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)、OPC 技術(shù)等，完成對異構(gòu)運(yùn)維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集，并在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器統(tǒng)一存儲。

3.3 建模與虛實(shí)融合顯示

（1）構(gòu)建模型。 通過現(xiàn)場照片，以及具體的測量參數(shù)，用3D MAX 引擎對生產(chǎn)車間進(jìn)行數(shù)字化建模。 定量描述各類生產(chǎn)運(yùn)維要素的特征，建立各要素之間的約束關(guān)系，關(guān)鍵設(shè)備模型與實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備比例一致。

（2）實(shí)時驅(qū)動?？蚣茉诮邮盏綌?shù)據(jù)服務(wù)插件返回的數(shù)據(jù)后，若判定不為臟數(shù)據(jù)，則對該數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并調(diào)用框架中與Unity 中屬性更新相關(guān)驅(qū)動程序，驅(qū)動程序解析該數(shù)據(jù)，并查找該對象發(fā)送數(shù)據(jù)，完成模型的實(shí)時驅(qū)動，見圖6。

圖6 模型驅(qū)動流程圖

4 結(jié)論

本文以含能材料生產(chǎn)車間為應(yīng)用實(shí)施對象， 圍繞含能材料生產(chǎn)過程開展了生產(chǎn)車間智能采集與數(shù)據(jù)融合技術(shù)、 虛實(shí)融合三維可視化顯示技術(shù)的研究， 構(gòu)建了車間實(shí)時三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)過程的實(shí)時監(jiān)控，顯著提高了車間的可視性、透明度、實(shí)時性和人機(jī)交互性。 未來，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展， 可將VR 與三維可視化監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合，使用戶通過手柄、頭盔即可與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行交互，更為身臨其境，提升培訓(xùn)、虛擬裝配等領(lǐng)域的用戶體驗(yàn)。